【Linux】文件描述符 - fd

文章目录

  • 1. open 接口介绍
    • 1.1 代码演示
    • 1.2 open 函数返回值
  • 2. 文件描述符 fd
    • 2.1 0 / 1 / 2
    • 2.2 文件描述符的分配规则
  • 3. 重定向
    • 3.1 dup2 系统调用函数
  • 4. FILE 与 缓冲区

在这里插入图片描述

1. open 接口介绍

使用 man open 指令查看手册:

#include <sys/types.h>
#include <sys/stat.h>
#include <fcntl.h>int open(const char *pathname, int flags);
int open(const char *pathname, int flags, mode_t mode);pathname: 要打开或创建的目标文件
flags: 打开文件时,可以传入多个参数选项,用下面的一个或者多个常量进行“或”运算,构成flags。
参数:O_RDONLY: 只读打开O_WRONLY: 只写打开O_RDWR  : 读,写打开这三个常量,必须指定一个且只能指定一个O_CREAT : 若文件不存在,则创建它。需要使用mode选项,来指明新文件的访问权限O_APPEND: 追加写	
返回值:成功:新打开的文件描述符失败:-1

open 函数具体使用哪个,和具体应用场景有关。如:目标文件不存在,需要 open 创建,则第三个参数表示创建文件的默认权限;否则使用两个参数的 open。

write read close lseek ,类比 C 文件相关接口。

1.1 代码演示

操作文件,除了使用 C 语言的接口【Linux】回顾 C 文件接口,还可以采用系统接口来进行文件访问;

写文件:

#include <stdio.h>
#include <sys/types.h>
#include <sys/stat.h>
#include <fcntl.h>
#include <unistd.h>
#include <string.h>int main()
{umask(0);int fd = open("myfile", O_WRONLY | O_CREAT, 0644);if (fd < 0){perror("open");return 1;}int count = 5;const char* msg = "hello open!\n";int len = strlen(msg);while (count--){write(fd, msg, len);// fd : 下面介绍// msg : 缓冲区首地址// len : 本次读取,期望写入多少个字节的数据// 返回值 : 实际写了多少字节数据}close(fd);return 0;
}

读文件:

#include <stdio.h>
#include <sys/types.h>
#include <sys/stat.h>
#include <fcntl.h>
#include <unistd.h>
#include <string.h>int main()
{int fd = open("myfile", O_RDONLY);if (fd < 0){perror("open");return 1;}const char* msg = "hello open!\n";char buf[1024];while (1){ssize_t s = read(fd, buf, strlen(msg)); // 类比writeif (s > 0){printf("%s", buf);}else{break;}}close(fd);return 0;
}

1.2 open 函数返回值

在认识返回值之前,先来认识两个概念:系统调用库函数

  • fopen fclose fread fwrite 都是 C 标准库当中的函数,我们称之为库函数(libc);
  • open close read write lseek 都属于系统提供的接口,称之为系统调用接口;

在这里插入图片描述

  • 系统调用接口与库函数的关系如上图;
  • 所以,可以认为,f# 系列的函数,都是对系统调用的封装,方便二次开发。

2. 文件描述符 fd

  • 文件描述符的本质,就是数组下标!!!

2.1 0 / 1 / 2

  • Linux 进程默认情况下会有 3 个缺省打开的文件描述符,分别是标准输入 0,标准输出 1,标准错误 2
  • 0,1,2 对应的物理设备一般是:键盘,显示器,显示器;
  • 所以输入输出也可以采用如下方式:
#include <stdio.h>
#include <sys/types.h>
#include <sys/stat.h>
#include <fcntl.h>
#include <string.h>int main()
{char buf[1024];ssize_t s = read(0, buf, sizeof(buf));if (s > 0){buf[s] = 0;write(1, buf, strlen(buf));write(2, buf, strlen(buf));}return 0;
}

在这里插入图片描述

  • 现在我们知道,文件描述符就是从 0 开始的小整数;
  • 当我们打开文件时,操作系统在内存中要创建相应的数据结构来描述目标文件,于是就有了 file 结构体,表示一个已经打开的文件对象;
  • 而进程执行 open 系统调用,就必须让进程和文件关联起来;
  • 每个进程都有一个指针 *files ,指向一张表 files_struct ,该表最重要的部分就是包含一个指针数组,每个元素都是一个指向打开文件的指针;
  • 所以,本质上,文件描述符就是该数组的下标,只要拿着文件描述符,就可以找到对应的文件。

2.2 文件描述符的分配规则

直接看代码:

#include <stdio.h>
#include <sys/types.h>
#include <sys/stat.h>
#include <fcntl.h>int main()
{int fd = open("myfile", O_RDONLY);if (fd < 0){perror("open");return 1;}printf("fd: %d\n", fd);close(fd);return 0;
}

输出发现是 fd: 3

关闭 0 或者 2,再看:

#include <stdio.h>
#include <sys/types.h>
#include <sys/stat.h>
#include <fcntl.h>int main()
{close(0);//close(2);int fd = open("myfile", O_RDONLY);if (fd < 0){perror("open");return 1;}printf("fd: %d\n", fd);close(fd);return 0;
}

发现结果是:fd: 0 或者 fd: 2

可见,文件描述符的分配规则:在 files_struct 数组当中,找到当前没有被使用的最小的一个下标,作为新的文件描述符,会分配给最新打开的文件。

3. 重定向

那如果关闭 1 呢?看代码:

#include <stdio.h>
#include <sys/types.h>
#include <sys/stat.h>
#include <fcntl.h>
#include <stdlib.h>int main()
{close(1);int fd = open("myfile", O_WRONLY | O_CREAT, 00644);if (fd < 0){perror("open");return 1;}printf("fd: %d\n", fd);fflush(stdout);close(fd);exit(0);
}

此时,我们发现,本来应该输出到显示器上的内容,输出到了文件 myfile 当中,其中 fd = 1。这种现象叫做输出重定向。

常见的重定向有:>>><

那重定向的本质是什么呢?

在这里插入图片描述

3.1 dup2 系统调用函数

函数原型如下:

#include <unistd.h>
int dup2(int oldfd, int newfd);

函数简介:

makes newfd be the copy of oldfd, closing newfd first if necessary, but note the following:
将newfd设置为oldfd的副本,并在必要时先关闭newfd,但请注意以下事项:*	If oldfd is not a valid file descriptor, then the call fails, and newfd is not closed.如果oldfd不是有效的文件描述符,则调用失败,newfd不会关闭。*	If oldfd is a valid file descriptor, and newfd has the same value as oldfd, then dup2() does nothing, and returns newfd.如果oldfd是一个有效的文件描述符,并且newfd与oldfd具有相同的值,那么dup2()什么都不做,并返回newfd。

示例代码:

#include <stdio.h>
#include <unistd.h>
#include <fcntl.h>int main()
{int fd = open("./log", O_CREAT | O_RDWR, 0644);if (fd < 0){perror("open");return 1;}close(1);dup2(fd, 1);int i = 0;for (i = 0; i < 5; i++){char buf[1024] = { 0 };ssize_t read_size = read(0, buf, sizeof(buf) - 1);if (read_size < 0){perror("read");break;}printf("%s", buf);fflush(stdout);}return 0;
}
  • printf 是 C 库当中的 IO 函数,一般往 stdout 中输出,但是 stdout 底层访问文件的时候,找的还是 fd:1
  • 但此时 fd:1 下标所表示的内容已经变成了 log 的地址,不再是显示器文件的地址;
  • 所以,输出的任何消息都会往文件中写入,进而完成输出重定向。

4. FILE 与 缓冲区

  • 因为 IO 相关函数与系统调用接口对应,并且库函数封装系统调用,所以本质上,访问文件都是通过 fd 访问的。
  • 所以 C 库当中的 FILE 结构体内部,必定封装了 fd。
  • 缓冲区就是一块内存区域,其存在目的是为了提升使用者的效率(用空间换时间)。
  • 我们这里说的缓冲区是语言层面的缓冲区,也就是 C 自带的缓冲区,跟内核中的缓冲区没有关系。
  • 缓冲区刷新方式:
    • 无缓冲 - 无刷新;
    • 行缓冲 - 行刷新 :写满一行才刷新,我们平时写代码经常会遇到缓冲区的问题;
    • 全缓冲 - 全部刷新:在普通文件中写入时,缓冲区被写满,才刷新!
    • 强制刷新:使用各种方法让缓冲区强制刷新,如:fflush() 函数;
    • 自动刷新:程序退出的时候会自动刷新。

来段代码研究一下:

#include <stdio.h>
#include <string.h>int main()
{const char* msg0 = "hello printf\n";const char* msg1 = "hello fwrite\n";const char* msg2 = "hello write\n";printf("%s", msg0);fwrite(msg1, strlen(msg0), 1, stdout);write(1, msg2, strlen(msg2));fork();return 0;
}

运行出结果:

hello printf
hello fwrite
hello write

但如果对进程实现输出重定向呢?./a.out > file ,我们发现结果变成了:

hello write
hello printf
hello fwrite
hello peintf
hello fwrite

我们发现 printffwrite(库函数)都输出了 2 次,而 write 只输出了一次(系统调用)。

为什么呢?肯定和 fork 有关:

  • 一般 C 库函数写入文件是全缓冲的,而写入显示器是行缓冲。
  • printf fwrite 库函数会自带缓冲区(进度条例子可以说明【Linux】编写第一个小程序:进度条),当发生重定向到普通文件时,数据的缓冲方式由行缓冲变成了全缓冲。
  • 而我们放在缓冲区中的数据,就不会被立即刷新,即使是 fork 之后;
  • 但是进程退出之后,会统一刷新,写入文件当中。
  • 但是 fork 的时候,父子数据会发生写时拷贝,所以当你父进程准备刷新的时候,子进程也就有了同样的一份数据,随即产生两份数据。
  • write 没有变化,说明没有所谓的缓冲。

综上:printf fwrite 库函数会自带缓冲区,而 write 系统调用没有带缓冲区。另外,我们这里所说的缓冲区,都是用户级缓冲区。其实为了提升整机性能,OS 也会提供相关内核级缓冲区,不过不在我们讨论范围之内。那这个缓冲区谁提供呢?printf fwrite 是库函数,writre 是系统调用,库函数在系统调用的“上层”,是对系统调用的“封装”,但是 write 没有缓冲区,而 printf fwrite 有,足以说明,该缓冲区是二次加上的,又因为是 C,所以由 C 标准库提供。


END

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